本文是献给那些刚开始涉足或即将踏入硬件电路设计领域的朋友们。岁月如梭，自从我第一次绘制电路图以来，已经过去了三年时光。初涉电路板设计之时，如同你一般，我心中充满了困惑，却也夹杂着一份激动。网络上关于硬件电路的丰富经验和知识让人眼花缭乱。诸如信号完整性、电磁干扰（EMI）以及电源设计（PS）等概念，可能会让你感到一头雾水。但请不必着急，一切都需要循序渐进。
总体来说，我们需要设计硬件电路，这要求我们首先要明确其整体框架和架构，然而，实现这一目标并非易事。可能老板或老师已经构思出了大体框架，而我只需将他们的想法具体化；然而，也有需要自己设计框架的情况，这时就必须明确所需实现的功能，并寻找是否有现成的、能实现类似或相同功能的电路板可供参考（应当学会充分利用他人的成果，经验丰富的工程师尤其懂得借鉴他人的智慧）。
若你觅得合适的设计方案，那真是个喜讯，它将大大缩短你的设计周期，从最初的构思到最终的调试阶段。然而，直接复制？答案是否定的。先要确保你真正理解了这些电路，这样做不仅能增强你对电路的理解，还能有效减少设计过程中的失误。
若未寻得参考设计，无需焦虑。首先，需选定大IC芯片，查阅其数据手册，审视其核心参数是否满足个人需求。识别出所需的关键参数，并理解这些参数，正是硬件工程师技能的体现。这一过程，需要持之以恒地逐步积累。在此期间，应勤于提问，因为对于自己尚不熟悉的内容，他人往往能以简短的话语启迪你，尤其是在硬件设计领域。
硬件电路设计主要涉及三个关键环节：原理图绘制、PCB设计以及物料清单（BOM）的编制。其中，原理图设计是将前期构思转化为电路原理图的过程，其形式与我们常见的教科书中的电路图颇为相似。电路板中的PCB，它是由原理图转换得到的网表（此网表充当原理图与PCB间的连接纽带），随后将特定元器件的封装放置在电路板上，再依据飞线（亦称预拉线）来连接其电信号（进行布线）。在完成PCB的布局与布线后，需要对所需的元器件进行归纳总结，因此我们会使用BOM表。
选用何种工具？Protel，亦即Altium，操作简便，在国内颇受欢迎，对于常规工作来说已经足够应对，非常适合新手设计师使用。
实际上，不论是使用基础的protel还是复杂的cadence软件，硬件设计的核心步骤并无太大差异（在protel中的操作与Windows系统相似，属于后命令式；而cadence的concept与allegro则是前命令式，习惯了protel的用户若突然转用cadence，可能会感到不适应，这便是原因所在）。在进行大型设计项目的各个环节中，首先需要进行1)原理图的设计，接着是2)PCB（印刷电路板）的设计，最后制作3)物料清单（BOM）表。下面，我将简要概述这一设计流程（步骤）。
建立原理图库是必要的。若要在原理图上放置一个新元件，首先必须创建该元件的库。该库主要包含新元件的引脚定义及其特性描述，并通过图形形式进行展示——通常表现为一个矩形（象征IC本体），其周围环绕着众多短线（代表IC引脚）。protel库的创建过程非常简便，加之用户众多，大量元件的库资源丰富，这对用户来说非常便利。在使用过程中，需要明确ic body、ic pins、input pin、output pin、analog pin、digital pin、power pin等概念之间的区别。
拥有丰富的元件库后，我们便能在原理图上着手绘制电路图，依据数据手册和系统设计的规范，通过连线将各个元件进行有效连接。同时，在适当的位置添加必要的线条和文字注释。需要注意的是，连线与线条存在差异：连线具备电气特性，而线条则不具备。连线主要用于连接同一网络，而线条则用于对图形进行注释。此刻，有必要明确一些基础术语，例如：导线、线路、总线、部件、焊盘等。
完成这一环节后，我们将得到netlist，它是连接原理图与PCB的纽带。原理图是我们直观理解的方式，而电脑要将它转换为PCB，需先将原理图转换成它所能识别的netlist格式，经过处理后再将其转化为PCB。
拿到netlist后，立即着手绘制PCB？且慢，得先执行电气规则检查。电气规则检查，简称ERC，这项工作可以帮我们发现原理图中的一些基础设计错误，例如多个output端并接等情况。然而，务必留意，尽管ERC很有用，但务必亲自仔细审查原理图，不可过度依赖工具。工具毕竟无法完全理解你的系统，它只是依据既定规则进行排查而已。
从netlist转换而来的PCB上，那些密集排列的元件以及难以计数的连接线，是否让你感到意外？别慌，我们得一步步来。
确定板框尺寸。在排除区或机械区绘制一个板框，这样的操作将限定你的布线范围。在规划时，必须综合考虑板的长宽尺寸，有时还需考虑板厚。当然，叠层设计同样不可忽视。（这里的叠层指的是板层的层数及其应用方式，例如，若板总共有四层，则顶层用于信号传输，中间第一层用于铺设电源，中间第二层用于铺设地线，底层则用于信号传输。）
首先，我们需要对(2)中提到的术语进行说明。比如，post-command指的是在执行某个命令之后，例如当我们需要复制一个元件时，我们需先选中该元件，接着按下Ctrl+C，最后再按Ctrl+V进行复制。这种操作方式在Windows和Protel中均有应用。然而，这里的做法有所不同，我们将其称作“预命令”模式。在这种模式下，若需复制某个对象，我们首先需按下Ctrl+C键，接着选中目标对象，最后在外部点击复制命令，注意，复制操作是在对象选中之前完成的。
完成板框的确定后，便进入了元件的布局阶段，这一步骤至关重要。它直接影响到后续布线的难易程度。需要考虑哪些元器件应放置在正面，哪些应放置在背面。然而，这些问题并没有统一的答案；不同的人可能会有不同的摆放观点，从不同的角度审视，摆放位置也可能各不相同。实际上，我亲自绘制了电路原理图，对每个元件的功能了如指掌，因此对元件的布局有明确的理解（若由未绘制原理图的人来布局，其效果可能会让你感到惊讶，哈哈）。对于初学者来说，需留意模拟元件与数字元件的区分，以及机械安装位置的安排，此外，关注电源的布局结构也就足够了。
布线工作即将展开，这一过程通常与布局设计紧密相连。有丰富经验的设计师通常能在初期便识别出哪些区域适合进行布线。若某些区域布线存在困难，可能需要调整布局设计。在FPGA设计中，为了使布线过程更加顺利，往往还需对原理图进行相应的调整。布线和布局的复杂性由众多因素构成，尤其是在高速数字领域，由于信号完整性的考量，问题变得更加复杂。尽管如此，这些问题往往难以进行定量分析，即便能够量化，计算起来也相当困难。因此，在信号频率不高的情况下，我们应当将布线的畅通性作为首要原则。
好的吗？请稍等，先用DRC进行一番审查。这个步骤是必须执行的。DRC会在布线完成度及违规规则方面提供标记，根据这些标记逐一进行审查和修正。
某些PCB可能需要附加敷铜层，这可能会提升成本；同时，出线部分可以设计成泪滴形状，工厂或许会协助完成这一步骤。将最终的PCB文件转换为gerber格式后，即可交付进行PCB的生产流程。当然，有些情况下，直接提供PCB即可，工厂会帮你完成gerber文件的转换。
装配PCB时，别忘了准备BOM表，通常可以直接从原理图中提取。不过，得留心原理图中哪些元件需要添加，哪些则无需添加，心中要有明确判断。对于小批量生产或研究用板，用Excel自行管理也很便捷（大公司通常依赖专业软件进行管理）。对于初学者来说，初次版本不宜直接将物料清单中的所有部件交由装配或焊接工厂进行焊接，这样做不利于问题的发现与解决。更佳的做法是，依据物料清单自行准备所需元件。待到电路板到货后，再逐一安装元件并进行调试。
谈谈调试
拿到电路板后，首先应当进行初步检查，切勿急于接入电源查看功能，因为硬件调试是一个逐步的过程protel软件教程，不可能一蹴而就。使用万用表检查关键网络是否存在异常，重点检查电源与地之间是否存在短路情况（尽管生产厂商已经进行了测试，但这一步仍需亲自操作查看，虽然某些步骤看似繁琐，却能为你节省后续大量时间），实际上，短路问题不仅与PCB有关，也可能在生产的任何环节出现，IO短路通常不会引发严重后果，但若电源短路，后果则不堪设想。
电源网络没有发生短路吗？如果是这样，那么我们就来检查一下电源的输出值是否达到了预期的标准。对于初学者来说，在调试过程中，最好是逐个检查IC芯片，而首先需要检查的，自然是电源芯片。
电源网络出现短路了吗？这确实是个棘手的问题。首先，你需要仔细检查自己的原理图，看看是否存在可能导致短路的情况。接着，可以采用割线法逐一排查，确定短路的具体位置。可能是PCB板的问题（尤其是那些质量较差的PCB板制造商），也可能是装配环节出了问题，亦或是设计上的缺陷。至于检查短路的一些技巧，将会在后续的文章中详细阐述。
电源芯片未提供输出信号？请仔细检查电源芯片的输入部分是否运作正常，同时，还需对使能信号、分压电阻以及反馈网络等进行全面检查。
电源芯片的输出值是否超出了预期？若数值异常偏高，例如达到10%，那么请先检查分压电阻，通常它们需要达到1%的精度，你确保这一点了吗？同时，也不要忽视反馈网络，它同样会对输出电源的范围产生影响。
电源输出已恢复正常，但别过于乐观，若条件允许，请使用示波器进行检测，观察电源输出的跳变是否合乎规范。特别是要捕捉电源从无到有的那一瞬间protel软件教程，仔细查看其变化过程（至于为何要这么做，嘿嘿……毕竟专业人士还是需要关注的～）。
谈谈电源
电源设计无疑是电路板设计中的关键部分，其稳定性至关重要，一旦电源不稳，其他功能都将无从谈起。相信无需过多赘述，其重要性自见分晓。
在电源设计领域，我们最常遇到的情况是从一个电压较高的稳定电源中转换出电压较低的稳定输出。这种转换过程通常被称作DC-DC转换，即直流到直流的转换。
在我国应用最为广泛的电源稳压芯片主要分为两类，一类是LDO（低压差线性稳压器），我们后续提到的线性稳压电源即指此类；另一类则是PWM（脉宽调制开关电源）。
电源的源头，本文中我们亦称之为开关电源。人们常言PWM效率出众，而LDO响应迅速，这背后的原因究竟是什么？别急于求答，我们先来探究它们的运作原理。
以下内容将介绍若干理论概念，尽管如此，它们依然易于理解；若你感到困惑，或许应当审视一下自己的基础知识。
一)线性稳压电源的工作原理
此图展示了线性稳压电源的内部构造概览。目标是从高压的Vs输出降低至低压的Vo。观察图中，Vo通过两个分压电阻进行分压，进而产生V+。V+随后被输入至放大器（此处特指误差放大器）的正极。与此同时，放大器的负极Vref对应着电源内部的参照电平，该电平保持恒定不变。放大器的输出电压Va被接入MOSFET的栅极，以此实现对MOSFET阻抗的控制。当Va增大，MOSFET的阻抗随之增大；反之，当Va减小，MOSFET的阻抗则减小。在MOSFET上产生的电压降等于Vs与Vo之差。
现在，我们来探讨Vo的稳定性。若Vo减小，则V+也会相应减小。随之，放大器的输出Va也会减小。这一变化会使MOSFET的阻抗降低。在相同电流的作用下，MOSFET的压降会减小。为了抑制Vo的进一步减小，Vo会被提升。Vo增大，随之V+和Va也相应增加，导致MOSFET的阻抗提升，当通过相同的电流时，其压降也随之增大，从而有效抑制Vo的进一步增大。
二)开关电源的工作原理
如图中所示，为了从高电压Vs转换出Vo，开关电源运用了特定占空比的方波Vg1和Vg2来驱动上下的MOS管。Vg1与Vg2相互为反相，即Vg1处于高电平，Vg2则处于低电平；当下MOS管导通时，上MOS管则处于关闭状态；反之，当上MOS管导通时，下MOS管则关闭。因此，在L的左侧产生了一个具有特定占空比的方波电压，我们可以将电感L和电容C视为一个低通滤波器。经过这一滤波过程，方波电压被转化为稳定的输出电压Vo。Vo经过R1和R2的电压分压处理，被送至第一个放大器——误差放大器的负端V+。该误差放大器的输出信号Va，再作为第二个放大器——PWM放大器的正端输入。PWM放大器的输出Vpwm生成一个具有特定占空比的方波信号。该方波信号经过门逻辑电路的处理，最终得到两个相位相反的方波信号Vg1和Vg2，这两个信号用于控制MOSFET的开关动作。
误差放大器的正端电压Vref保持恒定，而PWM放大器的负端电压Vt则呈现三角波形。当输入电压Va超过三角波电压时，Vpwm输出高电平；反之，当Va低于三角波电压时，Vpwm输出低电平。由此可知，Va与三角波电压的相对大小，直接决定了方波信号Vpwm的占空比。Va值越高，占空比越低；Va值越低，占空比则越高。处理过后，Vg1与Vpwm保持同相位，而Vg2则与Vpwm呈现相反相位；最终，L左侧的方波电压Vp将与Vg1保持一致。具体情形，请参照下方的图示。
随着Vo的升高，V+亦随之上升，Va则相应减少，同时Vpwm的占空比也随之降低。经过一系列逻辑运算后，Vg1的占空比减少，而Vg2的占空比则有所增加，Vp的占空比同样下降。这一变化进而导致Vo的降低，从而抑制了Vo的进一步上升。情况相反时，亦会产生相应的效果。
三)线性稳压电源和开关电源的比较
理解了线性稳压电源与开关电源的运作机制，我们便能领悟到为何线性稳压电源具备较低的噪声水平、较快的瞬态响应速度，却效率不高；相对地，开关电源虽然噪声较高、瞬态响应较慢，但效率却更为出色。
内部构造简洁的线性稳压电源，其反馈回路较短，故而噪音较低，同时具备迅速的瞬态响应能力（即输出电压波动时，补偿迅速）。然而，由于输入与输出之间的压差全由MOSFET承担，导致其效率不高。因此，线性稳压电源通常适用于电流较小、对电压精度要求较高的场合。
开关电源的内部构造相当复杂，存在众多影响输出电压噪声性能的因素。此外，其反馈回路较长，这导致其噪声性能不如线性稳压电源，并且瞬态响应速度较慢。然而，考虑到开关电源的构造，MOSFET只能处于全开或全关的状态，除了驱动MOSFET所需的能量以及MOSFET内部电阻所消耗的能量，其余的能量都用于输出。理论上，电感L和电容C是不会消耗能量的，尽管实际情况并非如此，但它们所消耗的能量非常微小。
首先着手撰写第八部分，等到图片上传成功后，再补充第六部分和第七部分，这两部分将用于阐述开关电源的工作原理，并对LDO与开关电源进行对比分析。
这一部分澄清高速信号认识的一些误区。
一) 高速看的是信号沿，不是时钟频率。
通常情况下，时钟的频率较高时，其信号的上升沿会较为迅速，所以我们通常将其视为高速信号；然而，这种关系并非绝对，即使时钟频率较低，只要信号的上升沿依旧迅速，我们同样需要将其视为高速信号进行处理。依据信号理论，信号的上升沿携带着大量高频数据（通过傅立叶变换，我们可以得到相应的定量公式），所以，若信号的上升沿非常陡峭，我们便应将其视为高速信号进行处理。若设计不当，则容易出现上升沿过于平缓、过冲、下冲以及振铃等问题。I2C信号在超高速工作状态下，其时钟频率可达1MHz，然而，按照标准规定，其上升或下降时间需严格控制在120ns以内。实际上，许多电路板在I2C信号测试中未能达标！
因此，我们必须重视信号带宽这一关键因素。依据经验公式，我们可以得知，带宽与上升时间（即从10%到90%的时间点）之间存在一定的关联，具体表现为带宽乘以上升时间等于3.5。
二) 示波器选择
众多人士关注到了示波器的采样速率，却忽视了其带宽这一关键指标。实际上，带宽往往比采样率更为关键。有些人认为，只要示波器的采样率超过信号时钟频率的两倍即可，这种想法实为谬误。错误之处在于对采样定理的误解。根据采样定理1，只有当采样频率超过信号最大带宽的两倍时，才能完美地恢复原始信号。然而，采样定理所针对的信号为带限信号，其带宽是有限的，这与现实中的信号存在较大差异。通常我们所处理的数字信号，除了时钟信号外，大多不具备周期性，从长远角度观察，其频谱宽度实际上是无限的；若要准确捕捉高速信号，就必须尽量减少对高频分量的失真。因此，示波器的带宽指标与这一要求密切相关。所以，我们真正需要关注的是，示波器捕捉到的信号上升沿的失真程度是否在我们能够容忍的限度之内。
选择何种带宽的示波器为佳呢？按照理论，选择带宽是信号带宽5倍的示波器，其捕捉到的信号与原始信号相比，损失不足3%。若对信号损失的要求更为宽松，则可以选择较为基础的示波器。通常情况下，使用带宽为信号带宽3倍的示波器即可满足多数需求。然而，别忘了考虑你使用的探头带宽哦！
